Патент на изобретение №2341732

(54) ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел содержит топку, конвективный отсек с выполненными в нем каналами, образующими дымоход, гидравлическую систему теплообменных труб, состоящую из отдельных конвективных и радиационных трубных секций, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов. Соединение теплообменных труб в секциях и секций между собой выполнено петлеобразно, так, что конец одной трубы в секции соединен с началом другой, смежной трубы и конец одной секции соединен с началом другой секции. Для соединения двух смежных труб между собой служит тангенциально-щелевой переходник, который выполнен в виде трубки с прямоугольным сечением, входной и выходной концы которой врезаны тангенциально в стенки двух смежных труб. Больший размер сечения тангенциально-щелевого переходника направлен вдоль образующей по длине трубы. Площадь поперечного сечения канала тангенциально-щелевого переходника равновелика площади поперечного сечения каждой из соединяемых труб. Гидравлическая система теплообменных труб состоит из двух независимых ветвей – левой и правой, расположенных симметрично. Изобретение обеспечивает повышение эффективности теплообмена, сокращение расхода топлива, обеспечение безаварийности, стабильности и долговечности водогрейного котла на любом виде топлива в условиях отсутствия систем водоподготовки. 6 ил.

Заявляемое техническое решение относится к области теплоэнергетики, в частности к так называемым малым котельным установкам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности и коммунального хозяйства, имеющих потребность в тепловой энергии, например для отопления (горячего водоснабжения) жилых домов, а также зданий и сооружений социально-общественного, промышленного и сельскохозяйственного назначения.

Известны котлы, выпускаемые отечественной промышленностью (Бийский котельный завод, ООО Ижевский котельный завод и др. каталоги).

Они представляют собой расположенные вертикально одно-, двух-, трехрядные секции, подключенные по воде параллельно, при этом в секциях жаровые трубы подключены также параллельно. Движение газов, как правило, одноходовое, в лучшем случае двухходовое с разделительными стенками-экранами. Экономайзер (отработка тепла дымовых газов) встречается редко, в лучшем случае это многорядный пучок параллельно соединенных труб, которые очень быстро забиваются сажей и не работают. Работа таких котлов отличается низкой эффективностью, значительным перерасходом угля, нестабильностью работы. Срок службы таких котлов из-за высокой аварийности (забивка и прогорание труб) составляет от года до трех лет.

Известен водогрейный котел (патент РФ №2241913, МПК 7 F24H 1/12, опубл. 10.12.04 г.), который частично лишен вышеперечисленных недостатков. Котел содержит топочную и конвективную части, которые образованы экранами, выполненными из труб, и имеют общий потолочный экран, горизонтальные входные и выходные коллекторы. Каждая из экранных труб имеет входной и выходной перепускные патрубки, торцы экранных труб топочного и конвективного экранов заглушены. Патрубки расположены с противоположных сторон диаметра экранной трубы, тангенциально к осям экранных труб.

Недостатки описанного водогрейного котла состоят в том, что недостаточно развита конвективная часть для утилизации тепла дымовых газов, параллельное подключение жаровых (радиационных и конвективных) труб не обеспечивает достаточно высокой скорости воды, отсутствует вращательное движение воды по коллекторам, которые могут забиваться, параллельное соединение труб не дает заблаговременной оценки состояния труб относительно накипеобразования.

Известен также водогрейный котел (патент РФ №2059937, опубл. 18.08.92), содержащий топочную камеру, экранированную трубами, и конвективный трубный пучок, снабженный экономайзером и закручивающим устройством потока воды в виде перепускных труб, соединяющих между собой смежные трубы экранов, конвективного пучка и экономайзера и расположенных тангенциально к их осям, при этом все трубы котла выполнены прямыми.

Недостатки известного котла состоят также в недостаточной развитости конвективных площадей, однонаправленном движении воды в трубах, что снижает эффективность теплопередачи от дымовых газов воде.

Наиболее близким по существенным признакам к заявляемому техническому решению является котел (патент РФ №2133406, опубл. 20.07.99), принятый за прототип. Устройство содержит обмуровку из шамотного кирпича, топку, газоходы, автономные конвективные и топочные радиационные модули в виде трубных экранов с коллекторами и дренажом, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, два боковых конвективных модуля, установленные в опускных шахтах топочные радиационные экраны – потолочный, фронтальный и боковой. Два боковых конвективных модуля в опускных шахтах выполнены в виде двух спаренных четырехходовых экранов, а остальные топочные радиационные экраны соединены друг с другом по цепочке – односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовый и потолочный двухходовый. В опускных и подъемных трубах экранов коаксиально установлены завихрители с двух сторон.

Недостатки его состоят в том, что при распределении рабочего агента (воды) из коллектора по трубам в каждом трубном экране сбивается ритм движения воды, она турбулизируется дополнительно в продольной плоскости сечения трубы на входе в нее с образованием обратных движению воды завихрений, в результате чего затормаживается в переходах из коллектора в каждую из труб, теряет свою продольную (вдоль трубы) скорость и скорость закручивания. Увеличение же напора воды только усиливает эти отрицательные эффекты. Все это приводит к снижению скорости движения воды в целом в гидравлической системе теплообмена и, как следствие, требует для увеличения поверхности теплообмена сдваивать, страивать и т.д. экраны. Все это усложняет всю систему теплообмена, еще больше повышает ее гидравлическое сопротивление, делает ее громоздкой, способствует отложению солей и загрязнений из воды, приводит к забивке системы и авариям. При такой усложненной системе невозможно осуществлять контроль сопротивления котла, позволяющий непрерывно оценивать состояние внутренних полостей труб и своевременно принимать меры, исключающие аварийную ситуацию. Невозможно осуществлять периодическую безостановочную чистку котла.

Установка турбулизаторов-завихрителей в виде винтовой металлической полосы в трубах не решает проблемы движения рабочего агента с завихрением по всему тракту движения его, при этом уменьшает сечения труб, увеличивает их сопротивление, усложняет конструкцию, приводит к забивке труб накапливающимися отложениями.

В конечном счете, принятая за прототип конструкция водогрейного котла низкоэффективна, не обеспечивает безаварийности и стабильности его работы, неконтролируема.

Задачами изобретения являются повышение эффективности теплообмена путем организации противоточного движения теплоносителей – дымовых газов и воды, сокращение расхода топлива, обеспечение безаварийности, стабильности и долговечности водогрейного котла на любом виде топлива в условиях отсутствия (или неудовлетворительной работы) систем водопод готовки.

Указанные задачи достигаются тем, что в водогрейном котле, содержащем обмуровку, топку, конвективный отсек с выполненными в нем каналами, образующими дымоход, гидравлическую систему теплообменных труб, состоящую из отдельных конвективных и радиационных секций в виде трубных секций с воздушками и дренажом, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, в том числе верхние, передние, внутренние, внешние и задние секции, согласно изобретению соединение теплообменных труб в секциях и секций между собой выполнено петлеобразно, так, что конец одной трубы в секции соединен с началом другой, смежной, трубы и конец одной секции соединен с началом другой секции, а для соединения двух смежных труб между собой служит тангенциально-щелевой переходник.

Указанные задачи достигаются также тем, что тангенциально-щелевой переходник выполнен в виде трубки с прямоугольным сечением, входной и выходной концы которой врезаны тангенциально в стенки двух смежных труб, при этом больший размер сечения тангенциально-щелевого переходника направлен вдоль образующей по длине трубы.

Указанные задачи достигаются также тем, что площадь поперечного сечения канала тангенциально-щелевого переходника равновелика площади поперечного сечения каждой из соединяемых труб.

Указанные задачи достигаются также тем, что гидравлическая система теплообменных труб состоит из двух независимых ветвей – левой и правой, расположенных симметрично.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан продольный разрез водогрейного котла; на фиг.2 – разрез по АА на фиг.1; на фиг.3 – разрез по ВВ на фиг.1; на фиг.4 – схема взаимодействия потоков теплоносителей – воды и дымовых газов; на фиг.5 – поперечный разрез тангенциально-щелевого перехода между трубами; на фиг.6 – тангенциально-щелевой переход между трубами в аксонометрии.

Заявляемый водогрейный котел состоит из обмуровки 1, разделенной стенкой 2 из огнеупорного материала на топочный отсек (топку) 3 и конвективный отсек 4 (фиг.1, 2, 3). Топочный отсек 3 содержит колосниковую решетку 5, на которую помещают твердое топливо 6, и передний проем 7 для обеспечения доступа кислорода воздуха, необходимого для горения (фиг.1, 2). В конвективном отсеке 4 с помощью перегородок 8 из огнеупорного материала, располагаемых в шахматном порядке, образован дымоход 9, каналы которого соединены между собой и топкой 3. Дымоход 9 имеет проем 10 для выхода дымовых газов и снабжен окнами 11 для удаления сажи и золы. Окна 11 обеспечивают возможность удаления сажи без остановки котла. Стрелками 12 показано движение дымовых газов, полученных от сжигания твердого топлива по дымоходу 9 до проема 10 (фиг.1, 3).

Стрелками 13 показано движение потока воздуха, несущего необходимое для горения количество кислорода.

Основной составляющей водогрейного котла, обеспечивающей теплообмен между дымовыми газами и водой, является гидравлическая система труб, единая для топочного отсека 3 и конвективного отсека 4 котла.

Гидравлическая система труб состоит из двух независимых ветвей – левой а и правой б (фиг.1, 2), расположенных зеркально. При этом каждая ветвь имеет независимый вход 14а и 14б холодной воды (или обратки) и выходы 15а и 15б горячей воды с соответствующей запорной арматурой (фиг.1, 2).

Гидравлическая система труб снабжена дренажно-промывочными патрубками 16 и патрубками выпуска воздуха (воздушниками) 17 (фиг.2, 3).

Каждая из ветвей гидравлической системы труб состоит из отдельных секций (трубных экранов) 18-22, последовательно соединенных между собой и расположенных таким образом, чтобы обеспечить противоток между направлениями движения дымовых газов и воды (фиг.4). Часть секций обеих ветвей, установленных в зоне горения (в конце хода воды), являются радиационными, они воспринимают в основном лучистую энергию. Сюда относятся: потолочные секции 22а, 22б (фиг.4), задние радиационные 21а, 21б (фиг.4), внутренние секции 20а, 20б (фиг.2, 4). Остальные секции по ходу дымовых газов воспринимают тепло за счет конвекции. Это внешние секции 19а, 19б (фиг.4) и задние секции 18а, 18б (фиг.1, 2, 3, 4).

Каждая секция состоит из соединенных между собой горизонтальных труб, что обеспечивает перекрестное взаимодействие потоков для отдельных труб в секции и противоточности – для секций и котла в целом.

Соединение двух соседних труб в секции обеспечивается с помощью тангенциально-щелевого переходника 23 (фиг.3, 5, 6), позволяющего создать вращательное движение воды при каждом переходе. На фиг.5, 6 показаны две соседние трубы 24 в секции, соединенные тангенциально-щелевым переходником 23.

Тангенциально-щелевой переходник 23 выполнен в виде трубки с прямоугольным (щелевым) сечением, входной и выходной концы которой врезаны тангенциально в стенки двух смежных труб 24. При этом больший размер сечения тангенциально-щелевого переходника 23 направлен вдоль образующей трубы 24, а площадь его поперечного сечения равна площади поперечного сечения трубы 24.

Водогрейный котел работает следующим образом.

Твердое топливо 6 сжигают на колосниковой решетке 5 в топочном отсеке 3 водогрейного котла под действием потока воздуха, показанного стрелками 13, доставляющего необходимое количество кислорода в зону горения (фиг.1). Образующиеся в результате горения дымовые газы по дымоходу 9 из топочного отсека 3 направляются в конвективный отсек 4, сначала в боковые ее отсеки (фиг.3), по стрелке 12, затем в лабиринт, образованный перегородками 8, выполненными из огнеупорного материала, и далее к проему 10 для выхода дымовых газов.

Навстречу потоку дымовых газов одновременно по двум ветвям (а и б) гидравлической системы труб организуют поток движения теплофикационной (сетевой) воды (фиг.1) последовательно по всем секциям – к выходам нагретой воды 15.

Водогрейный котел прошел испытания в котельной №1 поселка Новостройка Кемеровского района в отопительный сезон 2005-2006 гг.

Использование заявляемого водогрейного котла позволяет получить следующий технический эффект:

– обеспечить упорядоченное движение рабочего агента (воды) во всей системе теплообменных труб с постоянно возобновляемым завихрением воды при каждом переходе из трубы в трубу;

– повысить скорость движения воды в трубах, а с учетом противоточного движения теплоносителей – греющего (дымовых газов от сгорания топлива) и нагреваемого (вода) – увеличить теплосъем (теплопередачу) за счет снижения температуры дымовых газов. Снимаемое (передаваемое) тепло, как известно, определяется формулой

Q=t·G,

где Q – снимаемое (передаваемое) тепло;

t – температурный градиент – разница между температурой греющего и нагреваемого теплоносителей, постоянная на протяжении всего тракта взаимодействия потоков;

G – масса теплоносителя (воды);

– все перечисленное выше позволяет повысить кпд котла при той же величине поверхности теплопередачи (нагрева);

– организация возобновляемого вращательного движения при перетекании рабочего агента (воды) из одной трубы в другую (смежную), причем без изменения направления вращения, позволяет обеспечить перемешивание слоев воды с характерным перемещением более холодных слоев от центра к стенкам, а нагретых, наоборот – от стенок к центру;

– обеспечение вращательного движения воды в трубах позволяет сократить (или полностью устранить) отложения на стенках труб, что представляет особую ценность заявляемого технического решения в части обеспечения стабильности работы водогрейного котла, повышения эффективности и увеличения срока службы без водоподготовки;

– заявляемое техническое решение делает возможным контроль внутреннего гидравлического сопротивления котла, который позволяет непрерывно оценивать состояние внутренних полостей труб в процессе эксплуатации и своевременно принимать меры, исключающие аварийную ситуацию;

– обеспечить возможность своевременной безостановочной чистки котла от сажистых и пылевых отложений.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность процесса теплопередачи, сократить расход топлива, обеспечить безаварийность, стабильность процесса и долговечность водогрейного котла на любом виде топлива в условиях отсутствия (или неудовлетворительной работы) систем водоподготовки.

Формула изобретения

Водогрейный котел, содержащий обмуровку, топку, конвективный отсек с выполненными в нем каналами, образующими дымоход, гидравлическую систему теплообменных труб, состоящую из отдельных конвективных и радиационных секций в виде трубных секций с воздушками и дренажом, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, при этом секции являются, в том числе верхними, передними и задними секциями, отличающийся тем, что соединение теплообменных труб в секциях и секций между собой выполнено петлеобразно так, что конец одной трубы в секции соединен с началом другой, смежной, трубы и конец одной секции соединен с началом другой секции, а для соединения двух смежных труб между собой служит тангенциально-щелевой переходник, при этом тангенциально-щелевой переходник выполнен в виде трубки с прямоугольным сечением, входной и выходной концы которой врезаны тангенциально в стенки двух смежных труб, при этом больший размер сечения тангенциально-щелевого переходника направлен вдоль образующей по длине трубы, а площадь поперечного сечения канала тангенциально-щелевого переходника равновелика площади поперечного сечения каждой из соединяемых труб, причем гидравлическая система теплообменных труб состоит из двух независимых ветвей – левой и правой, расположенных симметрично.

РИСУНКИ